Почему мозг человека уменьшается в размерах
За последние сорок тысяч лет человеческий мозг потерял в объеме 10% — и это очень заметно по сравнению с предшествовавшим ростом. Причины столь заметного уменьшения нашего главного эволюционного преимущества до конца непонятны, но ряд новых исследований предлагает рассматривать в качестве главного подозреваемого синдром «самоодомашнивания».
Ткани мозга практически не сохраняются, так что антропологам приходится работать только с окаменелостями черепов и оценивать потенциальный объем мозга по его внутренней полости. Четыре миллиона лет назад этот объем у предков человека совпадал с таковым у предшественников шимпанзе — 350 кубических сантиметров. Однако уже через два миллиона лет, средний размер мозга австралопитека оценивается в 500 кубических сантиметров.
За миллион лет наши дальние предки удвоили этот показатель, а средний объем полости черепа и неандертальцев, и Homo sapiens достиг 1200 кубических сантиметров 130 тысяч лет назад.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Согласно анализу физических параметров более чем 12 тысяч людей из различных стран и сторон света, современные черепа мужчин вмещают на 150-160 миллилитров меньше, а женщин на 260. Эти данные не раз подтверждались с небольшими уточнениями, но с конца 1980-х годов ни одна гипотеза не смогла полностью объяснить такие изменения.
Первым предположением была адаптация человека к климатическим изменениям — после окончания ледникового периода людям больше не требовался большой объем тела для сохранения тепла. Также прорабатывалась версия уменьшения мозга для повышения энергетической эффективности человеческого организма: мозг весит всего около двух процентов от массы тела, однако потребляет до четверти всей вырабатываемой организмом энергии.
Самая достоверная гипотеза возникла внезапно при сравнительном анализе эволюции одомашненных животных и антропологических исследований человека. Домашние животные отличаются от своих диких «родственников» рядом изменений в стратегиях поведения, включая сохранение детского поведения во взрослом возрасте, а что самое главное — меньшими размерами мозга. Этот эффект называется «синдромом одомашнивания» и обусловлен рядом гормональных изменений в результате естественного и искусственного отбора — стратегии выживания наиболее дружелюбных особей.
Недавняя эволюция людей выглядит очень похожей на этот процесс и в своей работе коллаборация европейских ученых предлагает термин «самоодомашнивание» человека. Они проанализировали значительную выборку древних и современных геномов домашних животных, а также современного человека. Одним из выводов является обоснованное предположение, что наш мозг потерял часть объема из-за того, что в популяции более привлекательными были менее агрессивные и соревнующиеся особи, физические параметры которых меньше.
Мозг человека под ЛСД впервые рассмотрели в МРТ
Британские нейрофизиологи провели первые в истории исследования активности мозга человека, находящегося под действием ЛСД, с помощью МРТ. Эта активность резко вырастает и становится менее упорядоченной; связно работают области мозга, в норме действующие по отдельности. Результаты работы публикует журнал Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS), также о них рассказывает пресс-релиз Имперского колледжа Лондона.
С тех пор как ЛСД был включен в список запрещенных наркотических средств, исследований этого препарата практически не проводилось. Поэтому недавняя работа группы ученых во главе с известным нейрофизиологом, исследователем и сторонником декриминализации некоторых наркотиков Дэвидом Наттом (David Nutt), стала первой попыткой «увидеть» происходящее в мозге человека под действием ЛСД.
«Диэтиламид лизергиновой кислоты (ЛСД) – классический психоделический наркотик, – пишут авторы, – однако его воздействие на человеческий мозг еще ни разу не исследовалось с помощью современных методов нейровизуализации». Поэтому, отобрав 20 добровольцев, ученые воспользовались сразу тремя методами наблюдения за работой мозга, недоступными исследователям до запрета работ с ЛСД более 40 лет назад.
Магнитно-резонансная томография с мечением артериального спина (ASL) позволила изучить мозговой кровоток. Функциональная МРТ с BOLD-контрастом помогла наблюдать содержание окисленного и восстановленного гемоглобина, следя за потреблением кислорода – а значит, и активностью отдельных областей мозга. Наконец, с помощью магнитэнцефалографии (МЭГ) отслеживалась электрическая активность нейронов. Измерения проводились после приема 75 мкг наркотика, а также плацебо.
Существенные изменения под влиянием ЛСД наблюдались в работе сети пассивного режима работы мозга (Default Mode Network, DMN) – обширной нейронной сети, которая связывает ряд анатомически разделенных областей, не связана с решением какой-либо определенной задачи и остается активной в состоянии покоя.
Функции DMN остаются неясными, но некоторые специалисты подозревают, что в ее работе может крыться главная загадка нашего мозга – возникновение феномена сознания. Эти предположения получили некоторое подтверждение в новой работе: рассинхронизация работы нейронов DMN коррелировала с субъективными оценками подопытных, сообщавших о «растворении личности», «потере «я»» (Self Dissolution). Параллельно этому МЭГ обнаружил и ослабление волновых альфа-ритмов мозга, которые проявляются у взрослых в спокойном бодрствующем состоянии.
Однако в целом активность нейронов под действием ЛСД резко возрастала и становилась более однородной по всему мозгу, усиливались связи между областями, которые обычно работают более или менее независимо. Один из авторов работы Робин Кэрхарт–Харрис (Robin Carhart-Harris) пояснил: «В норме мозг работает как набор независимых нейронных сетей, выполняющих различные специализированные функции, такие как зрение, движение или слух – или более сложные, такие как внимание.
Однако под ЛСД разделение этих сетей исчезает, и мы видим более связный, более унифицированный мозг».
Усложнение нейронных сетей головного мозга, усиление специализации его областей и укрепление связей между ними происходят по мере взросления и созревания. Поэтому активность мозга человека под ЛСД авторы сравнивают с работой мозга младенца.
Усиление связей между областями мозга, которые обычно работают независимо, видимо, лежит и в основе ярких галлюцинаций, сопровождающих прием ЛСД. В самом деле, исследование показало, что первичная зрительная кора (V1), которая в норме связана, прежде всего, с регионами, занятыми обработкой визуальных стимулов, начинает активно коммуницировать и с другими областями, обычно этой работой не занятыми. Степень этой активности также коррелировала с сообщениями подопытных о переживании галлюцинаций.
Эксперименты команды Дэвида Натта – видимо, после его знаменитых и скандальных исследований эффектов другого наркотического средства, псилоцибина, – не получили финансирования от официальных организаций.
Поддержку им оказали обычные люди: британский Фонд Бекли организовал общественную кампанию по сбору средств и набрал необходимую сумму (порядка 25 тыс. фунтов стерлингов) с помощью краудфандинговой платформы Walacea.com. Глава фонда Аманда Филдинг (Amanda Feilding) сказала: «Наконец, мы начинаем раскрывать механизмы, лежащие в основе действия ЛСД – не только в плане лечения, но и углубляя наше понимание самого феномена сознания».
Роман Фишман
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
ЭВОЛЮЦИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО МОЗГА — PMC
1. Гудолл Дж. Через окно: 30 лет наблюдения за шимпанзе Гомбе. Вайденфельд и Николсон; 1990. [Google Scholar]
2. Sherwood CC, Subiaul F, Zawidzki TW. Естественная история человеческого разума: прослеживание эволюционных изменений в мозге и познании. Дж Анат. 2008; 212:426–454. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
3. Филлипс К.А., Бейлс К.Л., Капитанио Дж.П., Конли А., Чоти П.В., Харт Б.А., Хопкинс В.
Д., Ху С-Л, Миллер Л.А., Надер М.А., Натаниэльз П.В., Роджерс Дж., Шивели К.А., Войтко М.Л. Почему важны модели приматов. Am J Приматол. 2014;76:801–827. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
4. Брэдли Б.Дж. Реконструкция филогений и фенотипов: молекулярный взгляд на эволюцию человека. Дж Анат. 2008; 212:337–353. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
5. Isler K, Christopher Kirk E, Miller JMA, Albrecht GA, Gelvin BR, Martin RD. Эндокраниальные объемы видов приматов: масштабный анализ с использованием всеобъемлющего и надежного набора данных. Джей Хам Эвол. 2008; 55: 967–978. [PubMed] [Google Scholar]
6. де Соуза А., Кунья Э. Гоминины и появление современного человеческого мозга. Прог Мозг Res. 2012;195: 293–322. [PubMed] [Google Scholar]
7. Reyes LD, Sherwood CC. Неврология и эволюция человеческого мозга. В: Брунер Э., редактор. Палеоневрология человека. Спрингер; 2015. С. 11–37. [Google Scholar]
8. Финлей Б.Л., Дарлингтон Р.
Б. Связанные закономерности в развитии и эволюции мозга млекопитающих. Наука. 1995; 268:1578–1584. [PubMed] [Google Scholar]
9. Buckner RL, Krienen FM. Эволюция распределенных ассоциативных сетей в человеческом мозгу. Тенденции в Cogn Sci. 2013; 17: 648–665. [PubMed] [Академия Google]
10. Орбан Г.А., Клэйс К., Нелиссен К., Сманс Р., Сунарт С., Тодд Дж.Т., Вардак С., Дюран Дж.Б., Вандуффель В. Картирование теменной коры человека и нечеловеческих приматов. Нейропсихология. 2006; 44: 2647–2667. [PubMed] [Google Scholar]
11. Стаут Д., Чаминад Т. Эволюционная неврология изготовления инструментов. Нейропсихология. 2007;45:1091–1100. [PubMed] [Google Scholar]
12. Верендеев А., Шервуд С.С., Хопкинс В.Д. Организация и эволюция нейронного контроля руки у приматов: двигательные системы, сенсорная обратная связь и латеральность. В: Кивелл Т.Л., Лемелин П., Ричмонд Б.Г., Шмитт Д., редакторы. Эволюция руки примата. Спрингер; 2016. С. 131–153. [Академия Google]
**13.
Глассер М.Ф., Коалсон Т.С., Робинсон Э.К., Хакер К.Д., Харвелл Дж., Якуб Э., Угурбил К., Андерссон Дж., Бекманн К.Ф., Дженкинсон М., Смит С.М., Ван Эссен Д.К. Мультимодальная парцелляция коры головного мозга человека. Природа. 2016; 536: 171–178. Используя мультимодальный подход к парцелляции, авторы идентифицировали около 180 функционально и цитоархитектонически различных областей коры головного мозга человека. Метод, разработанный в этом исследовании, значительно улучшит будущие исследования структурной и функциональной организации коры головного мозга. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
14. Ван Эссен Д.С., Диркер Д.Л. Поверхностные и вероятностные атласы коры головного мозга приматов. Нейрон. 2007; 56: 209–225. [PubMed] [Google Scholar]
15. Бартон Р.А., Вендитти С. Лобные доли человека невелики. Proc Natl Acad Sci. 2013; 110:9001–9006. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
16. Gabi M, Neves K, Masseron C, Ribeiro PFM, Ventura-Antunes L, Torres L, Mota B, Kaas JH, Herculano-Houzel S.
Нет относительного расширения количества префронтальных нейронов в эволюции приматов и человека. Proc Natl Acad Sci. 2016;113:9617–9622. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
17. Sherwood CC, Smaers JB. Что за суета вокруг эволюции лобных долей человека? Тенденции Cogn Sci. 2013; 17: 432–433. [PubMed] [Google Scholar]
18. Passingham RE, Smaers JB. Является ли префронтальная кора особенно увеличенной в аллометрических отношениях и факторах переназначения головного мозга человека. Мозг Behav Evol. 2014; 84: 156–166. [PubMed] [Google Scholar]
19. Sherwood CC, Bauernfeind AL, Bianchi S, Raghanti MA, Hof PR. Эволюция человеческого мозга в большом и малом. Прог Мозг Res. 2012;195: 237–254. [PubMed] [Google Scholar]
20. Sherwood CC, Raghanti MA, Stimpson CD, Spocter MA, Uddin M, Boddy AM, Wildman DE, Bonar CJ, Lewandowski AH, Phillips KA, Erwin JM, Hof PR. Тормозные интернейроны префронтальной коры человека демонстрируют законсервированную эволюцию фенотипа и родственных генов.
Proc R Soc Lond [Biol] 2010; 277:1011–1020. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
21. Charvet CJ, Cahalane DJ, Finlay BL. Систематические кросс-кортикальные вариации числа нейронов у грызунов и приматов. Кора головного мозга. 2015;25:147–160. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
22. Sherwood CC, Bauernfeind AL, Verendeev A, Raghanti MA, Hof PR. Эволюционные специализации микроструктуры человеческого мозга. В: Каас Дж, редактор. Эволюция нервных систем. 2. Академическая пресса; 2016. С. 121–139. [Google Scholar]
**23. Хань X, Чен М., Ван Ф, Виндрем М., Ван С., Шанц С., Сюй К., Оберхейм Н.А., Бекар Л., Бетштадт С., Альчино Дж., Сильва А.Дж., Такано Т., Голдман С.А., Недергаард М. Приживление переднего мозга глиальной тканью человека клетки-предшественники усиливают синаптическую пластичность и обучаемость у взрослых мышей. Клеточная стволовая клетка. 2013;12:342–353. Клетки-предшественники глии человека (GPC) прививали новорожденным мышам.
Они созрели в астроциты, которые демонстрировали характеристики астроцитов человека в своей морфологии и физиологии. Мыши, которым были привиты человеческие GPC, показали повышенную синаптическую пластичность и улучшение обучаемости по сравнению с контрольными мышами, которым были привиты мышиные GPC. Это исследование однозначно демонстрирует важность глиальных клеток в когнитивной функции. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
24. Azevedo FAC, Carvalho LRB, Grinberg LT, Farfel JM, Ferretti REL, Leite REP, Filho WJ, Lent R, Herculano-Houzel S. Равное количество нейронных и ненейрональных клеток делает человеческий мозг приматом в изометрическом масштабе. мозг. J Комп Нейрол. 2009; 513: 532–541. [PubMed] [Google Scholar]
25. Sherwood CC, Stimpson CD, Raghanti MA, Wildman DE, Uddin M, Grossman LI, Goodman M, Redmond JC, Bonar CJ, Erwin JM, Hof PR. Эволюция увеличенных соотношений глии и нейронов в лобной коре человека. Proc Natl Acad Sci. 2006; 103:13606–13611.
[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
26. Oberheim NA, Wang X, Goldman S, Nedergaard M. Астроцитарная сложность отличает человеческий мозг. Тренды Нейроси. 2006; 29: 547–553. [PubMed] [Google Scholar]
27. Oberheim NA, Takano T, Han X, He W, Lin JHC, Wang F, Xu Q, Wyatt JD, Pilcher W, Ojemann JG, Ransom BR, Goldman SA, Nedergaard M. Уникальные гоминидные черты астроцитов взрослого человека. Дж. Нейроски. 2009;29:3276–3287. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
28. Raghanti MA, Stimpson CD, Marcinkiewicz JL, Erwin JM, Hof PR, Sherwood CC. Холинергическая иннервация лобной коры: различия у человека, шимпанзе и макак. J Комп Нейрол. 2008;506:409–424. [PubMed] [Google Scholar]
29. Raghanti MA, Stimpson CD, Marcinkiewicz JL, Erwin JM, Hof PR, Sherwood CC. Различия в корковой серотонинергической иннервации у людей, шимпанзе и макак: сравнительное исследование. Кора головного мозга. 2008; 18: 584–597. [PubMed] [Google Scholar]
30.
Raghanti MA, Stimpson CD, Marcinkiewicz JL, Erwin JM, Hof PR, Sherwood CC. Кортикальная дофаминергическая иннервация у людей, шимпанзе и макак: сравнительное исследование. Неврологи. 2008; 155: 203–220. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
31. Raghanti MA, Spocter MA, Stimpson CD, Erwin JM, Bonar CJ, Allman JM, Hof PR, Sherwood CC. Видоспецифичное распределение тирозингидроксилазо-иммунореактивных нейронов в префронтальной коре антропоидных приматов. Неврологи. 2009; 158:1551–1559. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
*32. Раганти М.А., Эдлер М.К., Стефенсон А.Р., Уилсон Л.Дж., Хопкинс В.Д., Эли Дж.Дж., Эрвин Дж.М., Джейкобс Б., Хоф П.Р., Шервуд К.С. Специфическое для человека усиление дофаминергической иннервации в полосатом теле, связанное с речью и языком: сравнительный анализ базальных ганглиев приматов. J Комп Нейрол. 2016; 524:2117–2129. В этом исследовании изучалась дофаминергическая иннервация полосатого тела у нескольких видов приматов.
Авторы обнаружили доказательства характерного для человека увеличения дофаминергической иннервации медиального хвостатого ядра даже в контексте относительно меньшего стриатума, чем предполагалось для приматов с размером мозга человека. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
33. Vargha-Khadem F, Watkins KE, Price CJ, Ashburner J, Alcock KJ, Connelly A, Frackowiak RS, Friston KJ, Pembrey ME, Mishkin M, Gadian DG , Пассингхэм RE. Нейронная основа наследственного расстройства речи и языка. Proc Natl Acad Sci. 1998;95:12695–12700. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
34. Enard W, Khaitovich P, Klose J, Zöllner S, Heissig F, Giavalisco P, Nieselt-Struwe K, Muchmore E, Varki A, Ravid R, Doxiadis GM , Bontrop RE, Pääbo S. Внутри- и межвидовые вариации в паттернах экспрессии генов приматов. Наука. 2002; 296:340–343. [PubMed] [Google Scholar]
35. Cáceres M, Lachuer J, Zapala MA, Redmond JC, Kudo L, Geschwind DH, Lockhart DJ, Preuss TM, Barlow C.
Повышенные уровни экспрессии генов отличают человеческий мозг от нечеловеческого мозга приматов. . Proc Natl Acad Sci. 2003; 100:13030–13035. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
36. Uddin M, Wildman DE, Liu G, Xu W, Johnson RM, Hof PR, Kapatos G, Grossman LI, Goodman M. Сестринская группировка шимпанзе и человека, выявленная полногеномным филогенетическим анализом профилей экспрессии генов мозга . Proc Natl Acad Sci. 2004; 101: 2957–2962. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
37. Preuss TM, Cáceres M, Oldham MC, Geschwind DH. Эволюция человеческого мозга: выводы из микрочипов. Природа Преподобный Жене. 2004; 5: 850–860. [PubMed] [Google Scholar]
38. Cáceres M, Suwyn C, Maddox M, Thomas JW, Preuss TM. Повышенная корковая экспрессия двух синаптогенных тромбоспондинов в эволюции головного мозга человека. Кора головного мозга. 2007;17:2312–2321. [PubMed] [Академия Google]
**39. Bauernfeind AL, Soderblom EJ, Turner ME, Moseley MA, Ely JJ, Hof PR, Sherwood CC, Wray GA, Babbitt CC.
Эволюционная дивергенция экспрессии генов и белков в мозге человека и шимпанзе. Геном Биол Эвол. 2015;7:2276–2288. Используя транскриптомный и протеомный анализы, в этом исследовании изучалась взаимосвязь между экспрессией генов и белков в мозге человека и шимпанзе. Авторы обнаружили, что корреляция между ними ниже, чем сообщалось ранее для других типов тканей. Это открытие важно для того, чтобы подчеркнуть важность оценки экспрессии как генов, так и белков в исследованиях эволюционного расхождения между видами. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
Эволюция мозга: хорошее, плохое и уродливое
Открыть в отдельном окне
Изучение человеческого мозга увлекало ученых, студентов-медиков и любителей биологии на протяжении большей части двадцатого века и продолжает это делать. в начале этого века. Многие из нас изучали человеческий мозг в начальной школе как универсальную структуру, полную совершенства. Что ж, это представление изменится после прочтения книги The Accidental Mind , написанной Дэвидом Линденом, выдающимся профессором неврологии в Медицинской школе Университета Джона Хопкинса.
Книга служит учебником по нейронауке для тех, кто мало знаком с биологией, а затем постепенно расширяет свой основной аргумент: человеческий мозг и разум несовершенны. Линден, пожалуй, самый квалифицированный человек, чтобы привести такой аргумент, потому что он пишет увлекательным и читабельным стилем. Например, он сравнивает мозг с «рожком мороженого с новыми шариками, которые накапливаются на каждом этапе нашей линии» (стр. 242).
The Accidental Mind с основным текстом на 254 страницах рассказывает о том, как небрежно развивался мозг и что он является результатом множества несовершенных компонентов и/или процессов развития. Линден ловко объясняет сложные концепции и представляет полный набор исторических анекдотов, чтобы оживить свои аргументы. Автор ясно объясняет сложные эксперименты для тех читателей, которые не знакомы с экспериментальными методами, необходимыми для понимания некоторых его идей. Книга состоит из девяти глав, а также пролога и эпилога. Кроме того, имеется список дополнительной литературы и ресурсов, разделенный на ресурсы для широкой аудитории и научные отчеты и обзоры.
В первой главе «Неизящный дизайн мозга» обсуждается то, что он считает небрежным устройством человеческого мозга, и делается попытка опровергнуть ранее существовавшие предположения о том, что мозг хорошо спроектирован. Он тратит значительное количество времени на объяснение основ анатомии и физиологии мозга. В следующих главах подробно рассказывается о том, что известно и неизвестно о мозге.
Когда основные структуры и функции мозга рассмотрены, Линден переходит к таким темам, как эмоции, ощущения, обучение, память и сны. Он связывает эволюционное значение при обсуждении некоторых тем. В главе, посвященной половому отбору, автор объясняет некоторые хорошо известные эксперименты, касающиеся полового отбора, и возможную генетическую и неврологическую основу гомосексуализма. Он указывает на некоторые недостатки экспериментальной работы и приходит к выводу, что сексуальная ориентация может быть результатом социокультурных детерминант, а также определенной степени биологических детерминант (стр. 183).
К сожалению, об эволюционной нейронауке мало что известно. Например, он подробно описывает эволюцию мозга млекопитающих, называя его структуру «неразумной», но не приводит недавних исследований в поддержку своего аргумента. Хотя Линден очень убедителен в своих аргументах, я не очень убедился в его выводах относительно несовершенства устройства нашего мозга. Это может быть ошибочным аргументом, потому что мы все еще сталкиваемся с лавиной исследовательских усилий, направленных на расшифровку мельчайших деталей того, как работает мозг.
Восьмая глава, «Религиозный импульс», существенно отличается от предыдущих глав, обсуждая различные идеи, связанные с религией. Он заключает, что религия и наука совместимы, за исключением фундаменталистской религии (стр. 234). Мой вопрос Линдену: как эта глава вписывается в основные аргументы книги? Это не стало более ясным после прочтения этой главы. Последняя глава, «Неразумный замысел мозга», представляет собой прекрасный синтез основных аргументов Линдена на протяжении всей книги. Именно там все основные идеи, представленные в книге, связаны в схеме (стр. 244), а понятие приобретения религиозных идей связано с ненатуралистическим опытом сновидения, который предрасполагает нас к приобретению таких идей.
Случайный разум оказался ценным, несмотря на его недостатки.